群星都是你们的世界(在宇宙中寻找外星生命)(精)
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作者(加拿大)乔恩·威利斯|译者:曾毅//宋迎春
出版社中信
ISBN9787508690605
出版时间2018-10
装帧精装
开本其他
定价49元
货号30249658
上书时间2024-11-14
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商品详情
- 品相描述：全新
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作者简介
乔恩？威利斯（JonWillis）是加拿大维多利亚大学天文学副教授，他积极参与宇宙学和星系进化领域的研究，并开设了广受欢迎的天体生物学课程。《生命、宇宙与科学方法》作者斯蒂芬？本纳（StevenBenner）对他的这本《群星都是你们的世界：在宇宙中寻找外星生命》赞誉有加，称其是“一部精彩之作”，更是“介绍了对太阳系内部的诸多卫星和行星以及系外行星的全新探索成就”。
目录
序 IX
第一章 异星的盛大舞台 001
从旧世界到新世界 006
火星异客出现的可能性 009
数以亿万计的行星？ 013
那是生命，吉姆，但不是我们所知的生命 017
接触 019
亿万英里的远航 021
注释 023
第二章 宇宙适合生命存在吗？ 027
夜空黑暗，却遍布星辰 029
星云的领域 032
时钟嘀嗒作响 035
我们都是恒星物质 037
我们在宇宙中的位置 041
银河系之外 044
没有尽头的宇宙 045
注释 046
第三章 生命究竟是什么？ 049
地球岛 054
达尔文的胜利 056
冥古世界 059
太古宙：古老生命的回响 061
第一万亿天：地球变绿 063
进化的盛宴 067
数量就是分量 068
生命的火花？ 070
它来自太空！ 074
未知领域 076
第二次创世记？ 079
天体生物学地图 081
注释 082
第四章 太阳系生物学巡礼 085
太阳：炽热气团 089
边缘之旅 090
日光所及 093
生命之水 094
金发姑娘与三颗行星 096
泛种论：一种不敢说出名字的理论 099
勇敢前行 102
飞掠器：与行星擦肩而过 103
轨道器：捕捉路过的行星 104
着陆器：这只是一小步 106
漫游车：游荡的初级科学家 108
样本返回：留下的只有轮印，带走的只有岩石 109
表土上的足迹 110
基本事实 111
“旅行者2号”：最壮丽的航程 113
在远方思念家园 116
注释 117
第五章 火星：沙漠之谜 119
水世界 123
2001：新的太空奥德赛 125
火星？死星？ 128
“海盗”传来的信息 130
甲烷、洛夫洛克和洛厄尔的现代故事 132
地球生命能在火星上生存吗？ 137
寒冷气候中的生命 140
冰箱中的生命 141
新希望 142
ALH84001 147
瞄得更高，投得更远 151
寻找火星生命的最佳机会？ 152
发现，开挖，走人 155
残酷的现实 157
对火星的载人探索 159
注释 161
第六章 欧罗巴与恩克拉多斯：水生生命世界？ 165
伽利略卫星 167
会变戏法的欧罗巴 170
新伽利略 171
下降，下降，开始工作 172
了不起的木星！ 173
潮汐、谐振、能量 176
深渊之火 179
冰封之下 182
“伽利略号”的壮烈死亡 187
恩克拉多斯的奇迹 191
线索：羽状烟柱 193
注释 196
第七章 泰坦：大自然的石化工厂 199
隐晦的字谜 202
泰坦的朦胧阴影 204
奇妙新世界 205
泰坦殊异 208
水：生命的灌肠剂 210
泰坦上的“金发姑娘” 213
对生命而言，多冷才是太冷？ 216
不愿面对的事实 217
乙炔被谁吃光了？ 219
泰坦之旅：无畏的漂流 222
不要温和地走进那良夜 226
注释 227
第八章 系外行星：没有尽头的世界 231
如何捕捉一颗公转中的行星 234
一闪一闪亮晶晶 235
开普勒其人 238
航天器开普勒 241
热木星…… 245
……还有超级地球！ 247
多样世界 248
天堂与地狱 251
大海捞针 254
“伽利略号”：我们能探测到地球生命吗？ 255
光芒夺目 258
洛夫洛克的梦想：我们能在地球2号上找到生命吗 261
未来依然光明 263
注释 267
第九章 寻找地外智慧生命 271
遥望千万光年之外 274
和我们一样？ 276
德雷克公式 277
意外之喜 282
拔掉插头 285
手机上的SETI@Home 287
注释 289
第十章 （外星）生命的意义？ 291
暗淡蓝点 294
根本问题 297
保持无畏 300
我们可以成为英雄 303
注释 305
参考书目 307
致 谢 321
内容摘要
改变世界的，不是超人，而是科学！
这是一本令人难以释卷的天体生物学入门读物，也是有趣的外星生命探索指南。为《火星救援》提供现实版科普指导，为《来自星星的你》提供强大的科技支持，让天文与科技更加融入地球人的生活。
世界上有没有“另一地球”？地球之外是否存在生命？如果给你40亿美元，你打算从何时何地开始寻找外星生命？这就是《群星都是你们的世界》研究的话题。
早在太空旅行成为可能之前，地球之外是否存在生命的问题就已经深深吸引着我们。在这本精彩的作品中，天文学家乔恩？威利斯不仅向我们介绍了天体生物学这门科学，也呈现了在银河系中找到其他生命的可能性。
威利斯向我们描述了包括开普勒太空望远镜、火星车“好奇号”和“新视野号”探测器在内的太空探索任务所取得的全新成果，让读者想象出五种找到外星生命的可能图景，并从其中做出选择。他鼓励我们猜想火星地下冰层中是否可能存在生命，揭示了欧罗巴和恩克拉多斯这两个拥有水冰的卫星上存在生命的重大可能性，又以我们这颗行星的悠久历史为镜，探索了土星的卫星泰坦。他甚至将目光投向太阳系之外，在众多地外行星中调查了那些有可能成为“另一地球”的候选者，并想象了无线电信号从太空深处来到地球的可能。
本书覆盖前沿研究，十分易读，让掌握了基础知识的读者可以自己决定向何处寻找外星生命。当然，如果有一天，我们发现了新的智慧文明，希望我们可以学会与他们和平共处。
精彩内容
第四章太阳系生物学巡礼
关于太阳系，天体生物学在观念上为我们带来的最大变化就是：我们开始将它视为一个能让生命持续的栖息地。截至目前，太阳系的第三颗行星地球上的生命就是已知生命的全体。然而，我们已经知道，导致生命在地球上产生的条件并非像我们曾经以为的那样独特。早期地球提供了三个基本要素：能量、液态水和复杂的有机化合物。促进地球生命产生的第四个要素则是地球环境的稳定性：在地球历史上，前三个要素都在漫长的时间中多少保持了稳定的存在，使得生命不仅能够出现，还能够发展壮大。
在这次太阳系之旅中，我们将会发现，以上条件并非地球所独有。即便是太阳影响所及的最边缘地带也有能量存在（尽管有时候相当稀缺）。我们也在好几个重要的地方发现了液态水可能存在的线索（而且还是相当明显的线索）。我们还在木星的卫星泰坦上直接观测到了真实液体——液态的乙烷和甲烷。最后，我们在整个太阳系范围内都探测到了复杂有机化合物的踪迹：它们不仅出现在木星和土星的卫星上，也搭乘彗星和小行星的便车四处飘荡。
那么，我们应该据此认为生命在太阳系中大量存在，并带着几乎压抑不住的诡异笑容坐等我们到来吗？这个问题的答案恐怕真值64000美元。 i我们依然不知道大自然是如何从一堆诱人的原材料中演化出生命的，即便在地球上也是如此。当前我们期待着太阳系中会有生命在等待我们，这种期待基于我们对太阳系中各行星和卫星的物理状况的详尽知识。此外，我们在地球上发现了嗜极微生物（它们在曾被认为最致命的恶劣环境中活得有滋有味），因而了解到生命远比我们原以为的更加坚强，也更能适应环境，而且这种了解还在不断增进之中。
我们将在后文中对太阳系中的行星和卫星进行细致的探讨，因此我打算在本章为后文的探讨设定一个背景：我们这个太阳系的物理构成（或者你更愿意用地质学这个词）到底是什么样的？有哪些行星和卫星在我们对生命的搜寻中具有特别的意义？哪些行星和卫星（如果有的话）会被我们视为不适宜生命存在从而排除在外？我们先花上一点时间，来了解一下近60年的太空探索如何令人类与太阳系中的行星和卫星亲近起来：我们从过去的太空任务中都学到了什么？航天器如何抵达目的地，又是如何被制造出来的？谁为它们买单？我希望以上这些问题能让我们做好跃入太阳系的准备，能让我们开始考虑前往那些最优先目标的未来探测任务，并对它们成功的可能性进行评估。
太阳：炽热气团就许多方面而言，太阳就是我们这个太阳系本身。要理解这一点，最简单的办法是取出一张方格纸，在纸上画一个10×100的矩形。如果我们用这1000个方格代表太阳系的总质量，那么其中近999个都属于太阳。木星和土星则占据了剩下的一个多一点方格的大部分。至于我们的地球，几乎连个小黑点都算不上。
有了这张图，我们可以很容易看出太阳在太阳系中占据何种统治地位。太阳核心发生着核聚变，以光子及其更神出鬼没的近亲——中微子的形式释放出能量。这些光子携带的能量高得惊人，因此我们这时应该将它们叫作伽马射线和X射线了。在向外扩散的过程中，它们被太阳外层大气中的原子吸收并再次释放，能级降低，直至逃出太阳光球层的笼罩，成为我们今天看到的日光。
今天，地球上几乎所有生命——从进行光合作用的生命体到位于食物链上更高位置并以前者为食的一切生物——需要的能量都来自太阳。然而，这个行星上最能引起天体生物学家兴趣的生物群体中有一部分却不在此列，它们就是那些生活在海底火山口中的嗜极微生物和地壳深处的铁氧化菌。这些家伙完全有资格自成一类，请不要忘记这一点！
边缘之旅一旦离开太阳，就进入了行星的领域，这个行星系统曾是我们所知的唯一行星系统。回顾过往，我们会发现人类那时候对这种认识相当满意。这个系统秩序井然，与当时的理论预测毫无二致。我们将在后文中了解到：随着围绕远方恒星的新行星系统的发现，人类关于行星系统的许多想当然的认知都被颠覆。不过现在我打算先稍稍浏览一下我们这个太阳系的情况。
位于温暖的内环区域、距离太阳最近的，是类地行星（即与地球相似的行星），其中包括水星、金星、地球和火星。尽管块头和表面状况各不相同，但本质上它们都可以说是一大块岩石（大部分是硅铁矿物）。类地行星拥有的卫星很少，除了月球之外，就只有围绕火星运行的福波斯和得摩斯。从火星往外，我们会看到小行星带。这是早期太阳系留下的破碎遗迹。它们一直未能摆脱木星引力的影响，因此无法聚拢成为一颗独立的行星。
在前往木星的途中，我们会穿越一个无影无形却十分重要的边界——冻结线。在这个距离上，不断衰减的阳光已经大大减弱，以致简单的气体如水蒸气、氨气和甲烷等都会凝结成固态的冰粒。因此，在冻结线之外，岩石不再是在碰撞中成长的行星的唯一建筑材料——冰也加入了这场游戏。在这种情况下形成的就是太阳系外缘的统治者——气态巨行星（或类木行星）。第一颗气态巨行星是木星，其后依次是土星、天王星和海王星。ii与太阳系内圈不同，外缘的行星拥有大量卫星：木星有大约67颗卫星，土星的卫星数量则超过150。这些卫星中块头最大的与水星或月球相当，足以自成世界，值得我们对之展开探索。类地行星与类木行星在卫星数量上的差别是一个简单的质量大小问题。太阳系形成之初是一个不断旋转的气体尘埃盘。气态巨行星在其中变得越来越大，逐渐在自己周围聚集起由气体和岩石组成的迷你盘。附属于它们的大量卫星就诞生于这些迷你盘状结构之中。
越过海王星之后，太阳的亮度减弱为不足地球上亮度的千分之一，此时我们已经进入了冥王星的黑暗领域。冥王星在1930年由克莱德？汤博（ClydeTombaugh）首次发现，到了20世纪90年代末和21世纪初，新一代现代大型望远镜对太阳系外缘进行了扫描，发现了更多类似冥王星的石块。它们有大有小，都属于太阳系外围的一个由碎片组成的圆盘，这个圆盘被称为柯伊伯带。在这个群体中，冥王星并非独一无二。因此，这些石块要么都是行星，要么都不是。2006年，国际天文学联合会做出了后一种判断。从此，柯伊伯带的天体以及那些较大的小行星都被称为矮行星。除非我们对当前太阳系的看法发生变化，否则它们将一直待在矮行星这一分类。
要理解太阳系的大小，最简单的方式是想象一个光子从脱离太阳表面开始到抵达各个行星所需要的时间。光子从太阳到达地球需要近8分钟，因此我们看到的太阳只是其约8分钟前的影像。此刻太阳的模样永远隐藏在一张无法被有限光速穿透的时间之幕背后，我们无法得知。每个光子从离开地球到抵达火星还需要额外的4分钟时间。想一想吧，无线电信号无非就是一连串能级较低的光子，因此一个无线电信号或电视信号需要8分钟时间才能在地球与火星之间往返一次。这能帮助我们理解为何人们使用简单指令组成的短指令序列来操纵火星车，而不是使用一种有8分钟延迟的操纵杆——如果这么干，你的火星车会在你知道之前就被卡住或撞毁。光子从太阳前往木星需要42分钟，前往最后一颗气态巨行星海王星则需要4个小时。如果将冥王星看成太阳系的外围边界的话，那么一个光子需要5小时20分钟才能从太阳抵达柯伊伯带，完成其抵达黑暗深渊的旅程。
现在，你应该对自己在太阳系中的位置和太阳系的尺度有了更清晰的概念。剩下的最后一个任务就是去看一看电影《超时空接触》的片头，并根据这个概念对电影提出批评！
日光所及我们已经知道，太阳是整个太阳系的能量来源，并支持着地球上几乎所有生命的存在。然而太阳那赋予生命的触手能伸到多远呢？在什么距离上，阳光就会暗淡到无法支持生命？
地球大气层顶层接收的太阳能功率约为每平方米1370瓦。iii每一天，太阳能都以这样的功率抵达地球，为几乎所有地球生命提供能量，主宰着地球的全部气候现象。太阳系每颗行星和卫星接收到的日光总量可以被看作其维持生命（至少是能将太阳能转化为可用能量的光合细菌那样的生命）的基础预算。
那么，有多少日光可以利用呢？水星轨道离太阳很近，这里的日光功率约为地球上的6倍。比地球更远的火星上的日光功率则大约只有地球上的40%。在我们向太阳系外缘移动的过程中，太阳的影响会急剧下降：木星能接收到的日光功率只有地球的3%，而到了寒冷的冥王星轨道，日光功率已不足地球上的0.1%。
更有趣的问题也许是：喜欢太阳的生命到底需要多少日光才能生存？要了解生命惊人的适应极限，来自地球的经验仍然至关重要。人类已经在黑海水面以下100米深处发现了光合细菌的存在，不过它们的新陈代谢基于厌氧（或者说无氧）光合作用，产生的则是硫化物而非分子态的氧。这些细菌也许是第一代光合生命体在现代的遗留，只有0.05%的日光能从水面到达这样的深度，这里的光线水平低到足以与冥王星上的日照相比。然而，在生物学意义上，如此低的光照水平仍是可以利用的：每个细菌都会勤勤恳恳地每几个小时捕获一个光子，并利用光子中的微小能量维持自己的新陈代谢运转。
这样一来，当我们将目光投向太阳系时，我们并不能指出一条确定的边界，并认为在这条边界之外，阳光就微弱到无法支持光合生命。无论多么微弱，阳光都能抵达太阳系中最遥远的区域，为生命提供能源——只要那里有生命存在。
生命之水因此，整个太阳系中都有足够多的阳光，而且我们也已经确定了简单有机化合物在太阳系中的存在。那么水的情况如何？或者，让我们的头脑更开放一些：液体的情况如何？本章内容完全旨在将我们的精力（以及有限的资源）集中在太阳系里最有可能成为生命栖息地的区域，所以现在是时候更进一步，更不客气一点儿了。
水星没有大气层，承受着太阳风的全力冲击，而且白昼地表温度高达700K，所以水星不会有生命。金星的浓密大气没有让我退却，然而表面温度比水星还高，达到737K。尽管生命也许可以以不同于地球上的方式存在，但构成我们的生物化学基础的蛋白质在温度高于400K时就会分解，因此金星根本就是一个干燥酷热的烤箱。月球呢？同样不行。月球没有大气层，也没有液态水，只适合短短几天的观光驻足，但我们还有别的地方要去。类木行星怎么样？人们将你们叫作气态巨行星可不是没有理由的。1995年，“伽利略号”航天器向木星大气层发射了一个探测器。探测器在木星的云层中下降了156千米，直到不断升高的气温烤焦了探测器上的运行系统。木星及更靠外的气态巨行星的大气模型中包含着奇异的液态层，但我们很难猜想什么样的生命形态能在这些液态层中生存，而且这些区域也极难抵达（“伽利略号”发射的探测器远未到达这里，就一命呜呼）。那么，冥王星和柯伊伯带怎么样呢？它们实在太远了。就算我们到了那里，恐怕也找不到什么液体。
深呼吸一下吧。如果上面描述的场景让你感到不安，我很抱歉，却不得不这样做。在上述这些被我粗暴对待的行星和卫星上，我排除生命存在的可能性了吗？完全没有。那么，在我为未来的太阳系生命探索项目开出的优先目的地列表上，它们位于前列吗？我想你已经有了答案。现在我们手里还剩下什么？考虑到我们将用大量的时间（和大量的篇幅）来考察在火星上、在木星的卫星欧罗巴、土星的卫星恩克拉多斯和泰坦上找到生命的可能性，这张列表上已经没有多少令人惊喜的空间了。
我选择集中考察这几处潜在的生命栖息地，却无视太阳系中的其他区域，这在很大程度上基于我们在前面章节中对地球生命存在条件的了解。我们将会发现，火星、欧罗巴、恩克拉多斯和泰坦并不能让我们确信它们上面有生命存在，但有足够证据表明它们拥有液体、有机物、能量和稳定性的组合，这使它们在我们的太阳系探索心愿列表上排在了前列。现在，我们终于有一点进展了。
金发姑娘与三颗行星
在《金发姑娘与三只熊》的故事中，小姑娘意外闯入三只心灵受伤的熊的家中，寻找“刚好适合”她的粥、椅子和床。有趣的是，金发姑娘原则在天体生物学中同样适用：我们用它来寻找“刚好适合”生命存在的行星环境。在我们的这个故事中，这样的环境被称为“宜居带”，即恒星周边能使行星表面温度“刚好适合”生命存在的轨道范围。此处这个温度范围就在水的冰点（273K）与沸点（373K）之间。在此，我不必再次警告说我们对生命的搜寻工作太过地球中心主义，你已经能意识到我们必须谨慎对待宜居带这个概念。
应该保持谨慎的主要原因在于行星大气层的状况无法确定。首先，我们必须有一个大气层。地球恰好位于太阳系宜居带的中部，然而如果没有大气层带来的地表压力，我们这颗行星上的水就会蒸发，散入太空。其次，尽管母星温度与行星轨道距离才是决定行星表面温度的主要因素，但任何种类的大气层都会为行星的实际表面温度增加一个不小的变数。
以太阳系中的三颗类地行星——金星、地球和火星为例。长久以来，它们一直是比较行星学的出发点——这门学科研究的是行星总体属性（如质量、自转速度、轨道半径）的微小变化如何导致每颗行星表面环境出现巨大差异。此外，这三颗行星距离太阳系宜居带的大致边界都不太远，因此可以用来表达一种警示：行星属性的差异会让任何简单的想法都站不住脚。
金星与地球非常相似，它的质量约为地球的4/5（即0.8倍地球质量），其运行轨道比地球轨道略近（到太阳的距离约为0.7倍地日距离）。如果没有大气层，金星表面的“理论温度”iv应为260K左右。然而金星拥有一个十分致密、富含二氧化碳的大气层，造成巨大的行星温室效应，使其表面温度高达737K。即使金星上曾经有过液态水，也早已被蒸发并进入了大气层（并让温室效应进一步加强）。即使是被束缚在表层岩石的矿物结构中的水分，也应该在炙烤之下变成了水蒸气。
火星的个头比地球小，其质量只有地球的1/10，其轨道半径则是地球的1.5倍。火星有一个以二氧化碳为主的稀薄大气层，在火星表面形成的气压只有地球大气压的1/100。火星的黑体温度为210K，而实际量得的火星表面温度只高出几度。这是极其微弱的温室效应造成的后果。由于寒冷的气温，火星上几乎全部的水分和二氧化碳都被束缚在其两极的冰盖和行星表面广为分布的地下冰层之中。
让我们来玩一个有趣的想象游戏：打乱这个行星组合，猜猜看行星位置的交换将会如何改变它们的性质。如果将火星和金星调换位置，将会发生什么？我想火星的情况会比较容易猜测：如果火星大气层保持目前状况不变，火星的表面温度将会在316K左右。可以想见，在这个新位置上，更高的表面温度将会融化火星由二氧化碳和水构成的冰盖，创造出一个足量却难以持续的大气层（别忘了，火星没有磁场，也没有火山活动）。
金星的状况就会更难想象一些。由于大气层的作用，其表面温度比理论值高出了400度。如果把金星放在火星轨道上，其表面温度仍会高达600K（前提是大气层没有在其自身重量的作用下坍缩）。金星变得如此酷热，原因之一是它在早期经历了在我们看来失控的温室效应：金星在太早之前就已变得过热。由于任何曾经存在的海洋都已蒸发，其以二氧化碳为主的大气中还包含大量的水蒸气。这反过来又加强了大气温室效应，造成灾难性的反馈循环。
如果金星在火星的公转轨道上运行，这种失控的温室效应还会发生吗？尽管这个问题给通过大型计算机模拟来研究行星大气的人们带来的愉悦与失望同样多，但简单明了的回答是：我们不清楚。
因此，当你看到官方新闻稿或媒体文章中说到某颗新发现的行星正处于其母星周围的宜居带时，请不要轻易下结论。在缺少行星表面大气层的明确数据时，任何对其表面温度的计算都只是猜测性的。（如果你不考虑大气的状况，那又怎么能期待这颗行星上会有液态水呢？）与故事中的金发姑娘一样，在掌握更多信息之前，我们无从知道某碗粥（在我们这里即是某颗行星）是否“刚好适合”生命的存在。
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